儲(chǔ)能技術(shù)在分布式發(fā)電中的應(yīng)用

標(biāo)簽：智能電網(wǎng) 儲(chǔ)能技術(shù) 可再生能源 分布式發(fā)電

摘要 儲(chǔ)能方式主要有物理儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能和相變儲(chǔ)能四大類型。其中物理儲(chǔ)能包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能;電磁儲(chǔ)能包括超導(dǎo)、超級(jí)電容器儲(chǔ)能;電化學(xué)儲(chǔ)能包括鉛酸、鋰離子、鈉硫和液流等電池儲(chǔ)能;相變儲(chǔ)能包括蓄熱和蓄冷儲(chǔ)能等。本文著重分析了它們的技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展前景及優(yōu)缺點(diǎn)，并針對(duì)分布式發(fā)電不同應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行了探討。

1 引言

可再生能源在未來的能源結(jié)構(gòu)中將占有極其重要的位置。風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電具有隨機(jī)性和間歇性，會(huì)對(duì)電網(wǎng)將產(chǎn)生沖擊，嚴(yán)重時(shí)將引發(fā)大規(guī)模惡性事故，這就需要在直流母線或交流系統(tǒng)中具備一定的儲(chǔ)能以跟蹤負(fù)荷的變化。因此，研發(fā)高效儲(chǔ)能裝置及其配套設(shè)備，與風(fēng)電/光伏發(fā)電機(jī)組容量相匹配，支持充放電狀態(tài)的迅速切換，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定已成為可再生能源充分利用的關(guān)鍵[1-2]。另外，分布式發(fā)電系統(tǒng)，特別是在基于可再生能源的分布式發(fā)電(distributed generation，DG)中加入蓄能裝置可以有效地提高能源利用率、降低環(huán)境污染、改善系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性[3-4]。

2 儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能以動(dòng)能的形式存儲(chǔ)能量，經(jīng)過功率變換器，完成機(jī)械能—電能相互轉(zhuǎn)換。飛輪儲(chǔ)能功率密度一般大于5kW/kg，能量密度超過20Wh/kg，循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，工作溫區(qū)較寬，無噪聲，無污染，最大容量已達(dá)5kW·h[5]。主要用于不間斷電源(uninterruptedpower supply，UPS)/應(yīng)急電源(emergency powersystem，EPS)、電網(wǎng)調(diào)峰、頻率和電能質(zhì)量控制[6]。2000年，美國(guó)宇航局(NASA)Glenn研究中心及其合作單位研制的飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)60kr/min(revolutionsper minute)，這標(biāo)志著飛輪電池在技術(shù)上可以取代化學(xué)電池。高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)具有控制簡(jiǎn)單、儲(chǔ)能密度大、效率高、壽命長(zhǎng)、維護(hù)容易等優(yōu)點(diǎn)，預(yù)計(jì)未來5年內(nèi)將首先在電力調(diào)節(jié)、UPS等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。

2.2 超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)(superconducting magnetic energystorage，SMES)利用超導(dǎo)線圈儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量，能量交換和功率補(bǔ)償無需能源形式的轉(zhuǎn)換。具有響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)換效率高、比容量/比功率大、壽命長(zhǎng)、污染小等優(yōu)點(diǎn)，且沒有旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件和動(dòng)密封問題。主要用于輸配電網(wǎng)電壓支撐、功率補(bǔ)償、頻率調(diào)節(jié)、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和功率輸送能力[7-8]。已有研究表明，對(duì)于輸配電應(yīng)用而言，微型(0.1MWh)和中型(0.1~100MWh)SMES系統(tǒng)更為經(jīng)濟(jì)[3]。

2.3 超級(jí)電容器儲(chǔ)能

超級(jí)電容器根據(jù)電化學(xué)雙電層理論研制而成，可提供強(qiáng)大的脈沖功率，充電速度快，放電電流僅受內(nèi)阻和發(fā)熱限制，能量轉(zhuǎn)換率高，循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，放電深度深，長(zhǎng)期使用免維護(hù)，低溫特性好，沒有“記憶效應(yīng)”。歷經(jīng)紐扣型、卷繞型和大型三代，已形成電容量0.5~1000F、工作電壓12~400V、最大放電電流400~2000A系列產(chǎn)品。但超級(jí)電容器價(jià)格較為昂貴，在電力系統(tǒng)中多用于短時(shí)間、大功率的負(fù)載平滑和電能質(zhì)量高峰值功率場(chǎng)合。目前，基于活性碳雙層電極與鋰離子插入式電極的第四代超級(jí)電容器正在開發(fā)中[9-10]。

2.4 蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

目前在分布式發(fā)電中應(yīng)用最為廣泛，但存在初次投資高、壽命短、環(huán)境污染等諸多問題。根據(jù)所使用的不同化學(xué)物質(zhì)，蓄電池可以分為許多不同類型。

鉛酸電池價(jià)格便宜，技術(shù)成熟，在發(fā)電廠、變電所供電中斷時(shí)能發(fā)揮獨(dú)立電源的作用，并為斷路器、繼保裝置、拖動(dòng)電機(jī)、通信等提供電力。然而，其循環(huán)壽命較短，具有較低的比功率，且在制造過程中存在環(huán)境污染。鋰離子(鈷酸鋰為正極)電池比能量/比功率高、自放電小、環(huán)境友好，但性能易受工藝和環(huán)境溫度等因素的影響。目前，磷酸基為正極材料的磷酸鐵鋰電池以其超長(zhǎng)的循環(huán)壽命，良好的安全性能，較好的高溫性能，有望在數(shù)年內(nèi)成為鉛酸電池的有力競(jìng)爭(zhēng)者[11]。

鈉硫和液流電池則被視為新興的、高效的且具廣闊發(fā)展前景的大容量電力儲(chǔ)能電池。鈉硫電池儲(chǔ)能密度高，體積僅為普通鉛酸蓄電池的1/5，系統(tǒng)效率可達(dá)80%，單體壽命超過10年，且循環(huán)壽命超過6000次，便于模塊化制造，建設(shè)周期短[12]。液流電池電化學(xué)極化小，能夠100%深度放電，儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)，額定功率和容量相互獨(dú)立，并可自由設(shè)計(jì)儲(chǔ)藏形狀。液流電池已有釩–溴、全釩、多硫化鈉/溴等多個(gè)體系，其中，全釩液流電池可避免正負(fù)極活性物質(zhì)交叉污染，成本低、壽命長(zhǎng)，已成為液流電池體系中主要的商業(yè)化發(fā)展方向[13]。

2.5 其他儲(chǔ)能方式

其他儲(chǔ)能方式包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能(compressed air energy storage，CAES)、蓄熱和蓄冷儲(chǔ)能等。抽水蓄能電站必須配備上、下兩個(gè)水庫(kù)，對(duì)建站地點(diǎn)要求苛刻，但是運(yùn)行簡(jiǎn)單，可靠且使用期較長(zhǎng)[14]。CASE電站建設(shè)投資和發(fā)電成本均低于抽水蓄能電站，壽命長(zhǎng)，響應(yīng)速度快，但其能量密度低，并受巖層等地形條件的限制[15]。熱能存儲(chǔ)常和STES(solar thermal electric steam)電廠結(jié)合起來，這種儲(chǔ)能方式比較可靠，成本相對(duì)低廉。蓄冷常見的主要是水蓄冷和冰蓄冷，轉(zhuǎn)換效率分別為90%和80%。水蓄冷優(yōu)點(diǎn)是不改變制冷機(jī)的空調(diào)工況，但水的蓄冷密度低(33.4kJ/kg)，所需蓄冷池體積大，冷量損耗也大。冰蓄冷相變潛熱為334.4kJ/kg，容積大幅減小，這種系統(tǒng)運(yùn)行管理方便，能為系統(tǒng)提供2℃~4℃的冷凍水，主要缺點(diǎn)是需要較大的制冷量[16]。表1為部分儲(chǔ)能技術(shù)的性能比較。

3 分布式系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能的要求

分布式發(fā)電是發(fā)電單元和儲(chǔ)能單元的組合，光伏、風(fēng)電和燃料電池都是非常典型的分布式電源。具有以下特點(diǎn)：①非常接近終端用戶;②容量很小，一般為幾十千瓦到幾十兆瓦;③能孤立運(yùn)行或者并網(wǎng)，一般接在380V或10kV線路上[2]。此外，光伏發(fā)電中的儲(chǔ)能裝置，常處于放電狀態(tài)，放電深度不規(guī)則，而且一次充電時(shí)間短。而風(fēng)電系統(tǒng)中的儲(chǔ)能裝置，放電時(shí)間分布比較均勻，充放電率比光伏大得多，也很少會(huì)處于欠充電狀態(tài)。

3.1 并網(wǎng)運(yùn)行的一般要求

分布式電源所產(chǎn)生的電能具有顯著的隨機(jī)性和不確定性特征，并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)的影響主要取決于其穿透功率極限，根據(jù)歐洲國(guó)家的一些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，穿透功率達(dá)到10%是可行的。所以，除非很大的負(fù)荷就在并網(wǎng)逆變器附近或者電網(wǎng)很弱，可以認(rèn)為DG發(fā)出的功率完全被電網(wǎng)吸收[17]，但能量存儲(chǔ)可起到平抑系統(tǒng)擾動(dòng)、維持發(fā)電/負(fù)荷動(dòng)態(tài)平衡、保持電壓/頻率穩(wěn)定的重要作用。要達(dá)到維持發(fā)電/負(fù)荷動(dòng)態(tài)平衡的目的，儲(chǔ)能必須具有大容量能量/功率吞吐能力。而為了保持系統(tǒng)電壓/頻率穩(wěn)定，儲(chǔ)能就得具有ms級(jí)響應(yīng)速度和一定容量的功率補(bǔ)償能力。基于光伏功率預(yù)測(cè)的并網(wǎng)光伏儲(chǔ)能容量計(jì)算：